CC BY
37
© В.П. Малюков, 2004
УДК 622.363.1/.2 В.П. Малюков
ВИХРЕВЫЕ СТРУКТУРЫ У ПОВЕРХНОСТИ КАМЕННОЙ СОЛИ ПРИ РАСТВОРЕНИИ
Семинар №3
в я ри отработке подземных выработок в
-Ж-Ж каменной соли методом растворения через буровые скважины фактические размеры выработки составляют 10-150 тыс. м3 производительность подачи растворителя составляет 20-150 м3/ч. При этом движение растворителя в выработке происходит в основном в ламинарном режиме.
Впервые приближенное решение задачи растворения вертикальной поверхности в неподвижном растворителе было получено П.А. Кулле [1] на основе использования уравнения движения пограничного слоя. При этом течении пограничного слоя принималось ламинарным установившимся, а концентрация раствора вне пределов пограничного слоя - постоянной. Уравнение для определения среднеинтегральной величины коэффициента растворения поверхности высотой Н получено П.А. Кулле на основе рассмотрения действующих на элемент пограничного слоя сил при условии, что мас-соперенос растворенного вещества осуществляется лишь диффузией.
к = 0,7954!с" ** ’8Ш т~
]] 8^ЛCh (1)
где Сн - концентрация насыщенного раствора; Д - коэффициент диффузии; ¥ - угол наклона образца; Ау - разность удельных весов раствора в пограничном слое и ядре растворителя; ^ -коэффициент динамической вязкости; АС -разность концентраций раствора в пограничном слое и ядре растворителя.
Р.В. Дьюри и Ф.В. Джессен [2] получили приближенное решение задачи о растворении вертикальной соляной поверхности в неподвижном растворителе на основе уравнений массового потока и количества движения в пограничном слое.
Авторы принимали, что распределение скоростей и концентраций в пограничном слое подчиняется параболическому закону. Режим движения пограничного слоя принимался ла-
минарным. При этом получено, что фактическая скорость растворения значительно выше расчетной по полученной зависимости.
На основании проведенных Р.В. Дьюри и Ф.В. Джессеном отдельных замеров расстояний (от «выступа» до «выступа»), на которых происходит обновление диффузионного слоя, расчетным путем [3] найдены численные значения Z (среднестатистическая длина участка растворяемой поверхности, на котором происходит безотрывное ламинарное течение (обновление) диффузионного слоя при 0 =const и С0= const , где 0 - угол наклона растворяемой поверхности к вертикали, С0 - концентрация в основной массе раствора).
* = 0,7954СМ5^
у 8^Ch (2)
где К - коэффициент скорости растворения поверхности соли; Д - коэффициент диффузии; Ар = р(СН) - р(С0) - разность между плотностью насыщенного раствора соли и начальной плотностью растворителя.
Для приведения в соответствие расчетных значений скорости растворения и фактических, Р.В. Дьюри и Ф.В. Джесссен вводят эмпирический коэффициент, с помощью которого удается увеличить расчетные значения скорости растворения в зависимости от конкретных условий в 2-3 раза.
Расхождения между приближенными решениями П.А. Кулле и Р.В. Дьюри и Ф.В. Джессеном с фактическими данными можно объяснить не полным рассмотрением сложных гидродинамических процессов, происходящих при растворении каменной соли. Значительное фактическое увеличение скорости растворения каменной соли можно объяснить за счет гидродинамического воздействия на поверхность каменной соли.
Строительство подземных резервуаров в каменной соли в значительной степени определяется процессами массопереноса в прикон-турной зоне. При подаче растворителя через буровую скважины на границе каменная соль-флюид при гидродинамическом воздействии протекает процессы массопереноса, характеризующие скорость отработки подземной выработки-емкости и ее формообразование.
Массоперенос при гидродинамическом воздействии на каменную соль слагается из физико-химических процессов массоотдачи в сочетании с гидродинамическим и механическим разрушением.
Гидродинамическое воздействие на каменную соль в приконтурной зоне подземного резервуара связано с образованием гидродинамических структур и структур форм поверхности и их взаимодействием.
При сопоставлении экспериментальных коэффициентов массоотдачи каменной соли для различных месторождений необходимо добиваться идентичных гидродинамических условий в опытах, что представляет собой значительные трудности. Поэтому в практике проектирования и строительства подземных резервуаров используется методика определения коэффициента массоотдачи в условиях естественной конвекции.
Массоотдача и массоперенос при создании подземной горной выработки в каменной соли при гидродинамическом воздействии на поверхность связаны с рядом одновременно протекающих явлений: в твердом теле вблизи контура подземного резервуара, на контактной поверхности «твердое тело-жидкость», многоструктурном пограничном слое, а также в основном объеме растворителя, которые характеризуют процесс взаимодействия породы и растворителя.
При гидродинамическом воздействии растворителя на поверхность каменной соли количественной характеристикой нарушения сплошности поверхности служит суммарная площадь вновь образованных поверхностей от развития шероховатости и кратеров.
Очевидно, что техногенная шероховатость поверхности каменной соли при гидродинамическом воздействии, как и образуемые при этом неровности, является вновь образованной структурной неоднородностью, т.е. при гидродинамическом воздействии образуется двухуровневый рельеф поверхности массоотдачи каменной соли.
Средний объем шероховатости поверхности растворения каменной соли или, иначе, объем трещиноватости на единичной площади (принимая коэффициент увеличения площади К = 2,69 , среднюю высоту шероховатости -200 мкм), получен в 63,8 раза больше по отношению к среднему объему естественной трещиноватости на единичной площади.
При гидродинамическом воздействии на контуре подземной выработки поверхность контакта зерен каменной соли с водным раствором характеризуется минимальной поверхностной энергией, на которой происходят деформации и разрушения с образованием новой структурной неоднородности - волнистой техногенной шероховатости поверхности, которая является трещиноватостью массопереноса на контуре и значительно превосходит естественную трещиноватость массива.
Визуальное обследование показывает, что на поверхности натурных образцов (натурной, естественной поверхности массоотдачи каменной соли) образуется регулярная последовательность кратеров (соответственно вихрей) -образуется поверхность с системой трехмерных вогнутостей. Вихри на поверхности мас-соотдачи в каменной соли образуют трехмерные кратеры с плавными обводами и вогнутой поверхностью, но на поверхности керна иногда образуются также кратеры различной глубины и с острыми кромками. Важным с точки зрения гидродинамики и массообмена является отношение высоты кратера к величине поперечной длины кратера, которое для натурной поверхности массоотдачи каменной соли составляет примерно 0,23. Соответственно, по этому параметру полученные кратеры относятся к относительно глубоким.
Кратеры являются естественным интенси-фикатором процесса массоотдачи при растворении каменной соли. Возникающие вихревые структуры интенсифицируют массообмен. Очевидно, что характеристики кратеров зависят от шероховатости, что, в свою очередь, влияет на показатели массопереноса.
Процесс самопроизвольного формирования регулярных структур происходит при взаимодействии большого числа элементарных подсистем, для которых характерны явления самоорганизации.
Самоорганизующиеся гидродинамические структуры (СГС) образуются у поверхности каменной соли. При взаимодействии СГС и поверхности соли на контуре подземной выра-
ботки образуются структуры рельефа поверхности (отпечатки СГС). СГС формируют регулярные структуры на поверхности соли. При массопереносе у поверхности соли возникает конвективная решетка СГС с естественным образованием на поверхности соли решетки кратеров [4].
При подземном растворении солей в процессе массопереноса поступающий к поверхности каменной соли (неустойчивой ориентации) более легкий элемент жидкости (с меньшей плотностью) проникает к поверхности, а более тяжелый (с большей плотностью) двигается от поверхности. В приповерхностном слое устанавливается стационарное вращение элементов жидкости. В результате эффекта взаимной синхронизации образуются связанное состояние - конвективная решетка. При массопе-реносе в пристеночной области подземной выработки образуется самоорганизующаяся гидродинамическая структура, при этом на поверхности соли с неустойчивой ориентацией образуется вогнутый рельеф с решеткой регулярных трехмерных вогнутых кратеров полусферической формы. При массопереносе с изменяющейся границей каменной соли с шероховатой поверхностью в кратерах происходит взаимодействие закрученных струй с поверхностью. В зоне размещения кратеров происходит изменение локальных геометрических характеристик поверхности, при этом вихрь вращается перпендикулярно поверхности. Очевидно, возникающие вихри являются вихрями типа Гертлера. При этом в приповерхностном слое возникают вихревые цепочки. Структура скорости закрученной струи совпадает со структурой скорости вихря Бюргерса - Ротта.
При взаимодействии самоорганизующихся гидродинамических структур с поверхностью соли различные ориентации образуется разная кривизна поверхности с различными структурами рельефа поверхности.
К настоящему времени отечественными учеными выполнен целый ряд работ по исследованию вихревых структур в лунках на искусственно созданных поверхностях [5]. Идентификация пространственных струйно - вихревых структур осуществлялось мето-дом компьютерной визуализации течения на основе наблюдения за треками меченных жидких частиц. Симметричная вихревая структура характерна для ламинарных режимов обтекания сферической лунки. Лунки с самоорганизующимися вихревыми структурами имеет одина-
ковое углубление - 0,22. Они рассматриваются как глубокие. Это значение практически совпадает с полученным нами (0,23) для кратеров в каменной соли.
Вблизи стенки при растворении вертикального образца керна каменной соли в условиях естественной конвекции одними из доминирующих структур являются продольные полосы - вытянутые вдоль потока, почти периодически чередующиеся в боковом направлении. Полосы образуются под действием так называемых продольных вихрей, создающих циркуляционное движение в плоскостях перпендикулярных основному потоку. Полосы в значительной степени являются следствием действие вихрей.
По мере развития подземной выработки меняется вклад различных механизмов массо-переноса в общий процесс.
На поверхности кратеров при растворении соляного керна отмечено образование сложных форм. На поверхностях кратеров отмечено образование по форме на подобии цветка каллы (размеры в несколько мм), очевидно при воздействии соответствующих вихрей. При повышении давления в процессе растворения на поверхности керна отмечены регулярные формы типа вдавленной в поверхность выпуклой звезды (размеры в несколько мм). Возможно такие отпечатки образуются при сочетании вихрей, оставляющих отпечатки типа цветка каллы.
По результатам выполненных исследований в натурных условиях обнаружено, что при растворении каменной соли на поверхности образуются: кратеры с закругленными кромками под воздействием вихрей типа Гертлера, продольные полосы с ребрами под воздействием продольных вихрей, самоорганизующиеся гидродинамические структуры и структуры рельефа поверхности. При растворении керна каменной соли аналогично отмечено воздействие вихрей типа Гертлера и продольных вихрей, а также дополнительно образование кратеров с острыми кромками, образование типа цветка каллы и звезды под воздействием соответствующих вихрей. В лабораторных условиях при придании вращения жидкости между двумя цилиндрами (между боковыми поверхностями емкости и керна) на поверхности образца образуются закрученные продольные ребра под воздействием винтообразных вихрей типа Г. Людвига. При этом на поверхности образца соли отсутствуют отпечатки вихрей типа
Гертлера и продольных вихрей, что указывает и возможности перехода различных вихрей и,
на предопределяющую роль гидродинамиче- соответственно, форм рельефа.
ского воздествия в формировании поверхности
--------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кулле П.А. Разработка месторождений соли подземным выщелачиванием. Труды ВНИИГ, вып. ХХ, Госхимиздат, 1956.
2. Durie R.W., Jessen F.W. The influence of surface factures in the salt dissolution process - Society of Petroleum Engineers J., 1964, 4, №3 , pp 275-281
3. Мазуров В.А. Подземные газонефтехранили-ща в отложениях каменной соли. М., 1982. с.212.
4. Малюков В.П. Самоорганизующиеся гидродинамические структуры и структуры рельефа поверхности при подземном растворении каменной соли. М., Горный информационно-аналитический бюллетень №1 2003, с. 209-213.
5. Исаев С.А., Леонтьев А.И., Баранов П.А., Усачев А.Е. Бифуркация вихревого турбулентного течения и интенсификация теплообмена в лунке. ДАН, т. 373, №5, М.,2000, с. 615-617.
— Коротко об авторах -----------------------------------
Малюков В.П. - кандидат технических наук, ООО «Подземгазпром».
------^
^-------
---------------------------------------------- © А.Н. Любин, 2004
УДК 622.235 А.Н. Любин
ОСОБЕННОСТИ ОТБОЙКИ МАЛОМОЩНЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ШПУРОВЫМИ И СКВАЖИННЫМИ ЗАРЯДАМИ
Семинар № 3
азработка пологих маломощных рудных месторождений производится с применением технологии отбойки рудных залежей как шпуровыми, так и скважинными зарядами. При этом для разбуривания рудного массива очистных забоев используется, как правило, переносное оборудование.
Габариты переносного оборудования позволяют вести добычу в границах мощности рудной залежи такого типа месторождений, при этом формирование разубоживания рудной массы в очистных забоях зависит от точности оконтуривания балансовых запасов буровзрывным способом. Применение же самоход-
ного оборудования обуславливает прирезку, в основном, пород лежачего бока. Во-первых, это необходимо делать для создания площадок, по которым могла бы перемещаться буровая и доставочная техника в соответствии с правилами безопасной ее эксплуатации. Во-вторых, прирезка вмещающих пород только со стороны лежачего бока позволяет технически более просто производить селективную выемку балансовых запасов заходками [1].
Из анализа опыта работы добывающих ло-паритовые руды Ловозерского месторождения рудников следует, что на формирование разу-боживания рудной массы при очистной выемке
